JP4605781B2 - 鋼材の油焼入方法および装置 - Google Patents

Description

この発明は鋼材を加熱後、焼入油に浸漬して冷却する油焼入方法および装置に関する。

一般に機械部品や金型，工具などに使用される鋼材は、鍛造，切削などの工程を経てほぼ最終形状に近い形状まで加工されたのち、その機械的特性を向上させる目的で表面硬化処理される。そしてこの表面硬化処理として一般的な真空油焼入方法においては、鋼材を加熱室において真空雰囲気下で所定の温度に加熱後、加熱室に隣接配置した焼入室内において必要に応じてガス冷却後、この焼入室の油槽内の焼入油に浸漬して冷却する。そしてこの油冷却（油中浸漬による冷却）後の鋼材は、焼入室内へ引揚後、そのまま焼入室外へ抽出するか、必要に応じて焼入室内でさらにガス冷却した後に焼入室外へ抽出する。（たとえば、特許文献１参照。）。
特開平８−６７９０９号公報（第２−３頁、図１）

ところで上記の油焼入方法においては、昇温状態の鋼材を油槽内の焼入油に浸漬すると、鋼材の冷却は、蒸気膜段階，沸騰段階および対流段階を経て行われる。そして冷却の第１段階である蒸気膜段階では、高温の鋼材により加熱されて生成した焼入油の蒸気膜によって、鋼材の表面が全周にわたって覆われた状態となり、その際、熱分解により油蒸気から遊離した炭素が鋼材の表面に浸入し、焼入終了後の鋼材の表面に浸炭層が形成されることがある。

そして上記の意図せざる浸炭層が形成されると、鋼材の表面硬さが本来得られるはずであった硬度より過大となって、焼入後の機械加工に時間がかかり、またその鋼材が鍛造用金型などの衝撃荷重を受ける用途に使用される場合には、使用中に割れを生じるなど、種々の問題点を生じるものであった。

この発明は上記従来の問題点を解決しようとするもので、油焼入処理により鋼材表面に浸炭層が形成されるのを防止できる鋼材の油焼入方法および装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の鋼材の油焼入方法は、焼入油を貯留する油槽を下部にそなえた焼入室を、仕切扉を介して加熱室に連設して成る炉体内で、真空雰囲気または無酸化性雰囲気下で加熱および冷却工程が行われる鋼材の油焼入方法において、加熱工程終了後、かつ油冷却開始前の時間帯に限定して、前記焼入室内に酸化性ガスを一定量導入することを特徴とする。

また請求項２記載の鋼材の油焼入方法は、焼入油を貯留する油槽を下部にそなえた焼入室を、仕切扉を介して加熱室に連設して成る炉体内で、真空雰囲気または無酸化性雰囲気下で加熱および冷却工程が行われる鋼材の油焼入方法において、加熱工程の特定の時間帯に限定して、前記加熱室内に酸化性ガスを一定量導入することを特徴とする。

この発明において、無酸化雰囲気とは、窒素やアルゴンなどの不活性ガスを炉内に供給することにより形成される常圧あるいは加圧状態の雰囲気を指す。そして鋼材の加熱工程と冷却工程は、両工程を真空雰囲気下で、あるいは両工程を無酸化雰囲気下で、行なってもよいし、一方の工程を真空雰囲気下で、他方の工程を無酸化雰囲気下で行なってもよい。

またこの発明において、冷却工程とは、鋼材を焼入油中に浸漬して冷却する油冷却のほか、この油冷却の前および／または後に、焼入室において鋼材をガス冷却する場合も含むものとする。そしてこの油冷却前にガス冷却を行う場合は、請求項１および６記載の発明における油冷却開始前とは、このガス冷却の前、およびガス冷却中、およびガス冷却後で油冷却開始前の各場合を含むものとする。

請求項１記載の方法によれば、前述の油冷却開始前に設けた所定の短時間の時間帯において、焼入室内に導入された酸化性ガスにより、加熱工程終了後の鋼材の表面に酸化皮膜が形成され、鋼材表面の活性が低下する。この状態の鋼材を焼入油に浸漬して油冷却すると、冷却の第１段階である蒸気膜段階において鋼材の表面は焼入油の蒸気膜によって覆われるが、鋼材の表面には前記酸化皮膜が形成されているので、蒸気膜中の油蒸気から遊離した炭素の鋼材表面への浸入が抑制され、鋼材表面の浸炭層形成が防止されるのである。そして酸化性ガスを加熱室に導入する場合には、鋼材加熱用のヒータ等の高温機器を耐酸化性タイプのもので構成する必要があるが、請求項１記載の方法では酸化性ガスは焼入室内に導入されるので、このような制約を受けることなく加熱室内の機器を構成することができる。

請求項２記載の方法によれば、加熱室内における加熱工程の終期、あるいは加熱工程終了後加熱室からの抽出までの間に設けた所定の短時間の時間帯において、加熱室内に導入された酸化性ガスにより、鋼材の表面には酸化皮膜が形成され、鋼材表面の活性が低下する。この状態の鋼材を焼入室における冷却工程において焼入油に浸漬して油冷却すると、冷却の第１段階である蒸気膜段階において鋼材の表面は焼入油の蒸気膜によって覆われるが、鋼材の表面には前記酸化皮膜が形成されているので、蒸気膜中の油蒸気から遊離した炭素の鋼材表面への浸入が抑制され、鋼材表面の浸炭層形成が防止されるのである。

この発明において酸化性ガスの導入量は、処理対象である鋼材の種類やサイズに拘わらず一定としてもよいが、請求項３記載の発明のように、酸化性ガスの導入量を鋼材の表面積、詳しくは１回の処理対象の鋼材の全表面積に応じて、設定するようにすれば、鋼材の表面に過不足なく酸化皮膜を形成して確実に浸炭層の形成を防止できるとともに、酸化性ガスの余剰分により焼入油が酸化して早期に劣化するのも防止できる。なおこの酸化性ガスの導入量の設定法については、後述するこの発明の実施の形態の項で例示する。

この発明において酸化性ガスとしては、たとえば炭酸ガスなども使用できるが、請求項４記載の発明のように、酸化性ガスとして空気または酸素を使用すれば、酸化性ガスを低コストで容易に入手できる。また請求項５記載の発明のように、酸化性ガスとして水蒸気を含む窒素または空気を用いれば、空気単独の場合は温度や湿度によって該空気中の水分量従ってガスの酸化力が変動するのに対して、一定量のガス中の水蒸気（分圧）を制御しやすく、安定した酸化力を得ることができるとともに、酸素に比べて酸化力が小さいため、鋼材表面に形成される酸化皮膜の膜厚を正確に制御でき、特に好ましい。

また請求項６記載の鋼材の油焼入装置は、焼入油を貯留する油槽を下部にそなえた焼入室を、仕切扉を介して加熱室に連設して成る炉体内で、真空雰囲気または無酸化雰囲気下で加熱および冷却工程が行われる鋼材の油焼入装置において、前記焼入室内に酸化性ガスを導入する手段と、この酸化性ガスの導入時期および導入量を制御して、加熱工程終了後、かつ油冷却開始前の時間帯に前記焼入室内に酸化性ガスを導入する導入制御手段とを、具備したことを特徴とする。

請求項６記載の装置によれば、請求項１記載の油焼入方法を実施することにより請求項１記載の手段による作用効果が得られ、加熱室内のヒータも格別の耐酸化性タイプのものとする必要はない。

また請求項７記載の鋼材の油焼入装置は、焼入油を貯留する油槽を下部にそなえた焼入室を、仕切扉を介して加熱室に連設して成る炉体内で、真空雰囲気または無酸化雰囲気下で加熱および冷却工程が行われる鋼材の油焼入装置において、前記加熱室内に酸化性ガスを導入する手段と、この酸化性ガスの導入時期および導入量を制御して、加熱工程の特定の時間帯に前記加熱室内に酸化性ガスを導入する導入制御手段とを、具備したことを特徴とする。

請求項７記載の装置によれば、請求項２記載の油焼入方法を実施することにより請求項２記載の手段による作用効果が得られる。

この発明によれば、焼入室内あるいは加熱室内に導入された酸化性ガスにより鋼材の表面に形成された酸化皮膜によって、油冷却時の蒸気膜段階における鋼材表面への炭素の浸入が抑制され、油焼入処理により鋼材表面に浸炭層が形成されるのを防止できる。

上記の効果に加えて、請求項３記載の発明によれば、鋼材の表面に過不足なく酸化皮膜を形成して確実に浸炭層の形成を防止でき、焼入油が酸化して早期に劣化するのも防止できる。

上記の効果に加えて、請求項４記載の発明によれば、酸化性ガスを低コストで容易に入手できる。

上記の効果に加えて、請求項５記載の発明によれば、酸化性ガスの安定した酸化力を得ることができるとともに、鋼材表面に形成される酸化皮膜の膜厚を正確に制御できる。

以下、図１および図２に示す第１例により、この発明の実施の形態を説明する。図１は真空油焼入装置１の全体を示し、２は加熱室、３は仕切扉４を介して加熱室２に連設した焼入室、５はこの焼入室の下側に設けた油槽であり、焼入油６が貯留されている。７は焼入室の出入口扉である。またＷは、焼入処理対象である複数個の鋼材をパレット上に積載して成る処理品である。

加熱室２は、図示しない真空ポンプが接続された耐圧容器である炉殻１１内に、断熱壁１２により包囲されて形成され、加熱用のヒータ１３をそなえている。１４は炉殻１１内に固設された溝形鋼製のガイドレールで、処理品Ｗの加熱室２内への受入・送出時に、処理品Ｗ支持用のハンガー２０（後述）をガイドするためのものである。また１５は処理品Ｗを支持する昇降テーブルで、シリンダ１６により昇降駆動される。１７は仕切扉４の開閉駆動用のシリンダである。

また図１および図２において、２０は処理品Ｗ支持用のハンガーで、処理品Ｗが載置されるフォーク部２１を固設した上部フレーム２２に、複数対のローラ２３をそなえている。２５はハンガー２０の昇降駆動装置で、ハンガー２０のローラ２３をガイド・支承する一対の溝形鋼製のガイドレール２６を固設した昇降フレーム２７を、昇降シリンダ２８のピストンロッドに接続して成る。そして焼入室３は、図示しない窒素ガス供給源に接続されている。

一方焼入室３の出入口扉７の外側には、焼入処理前および処理後の処理品Ｗを支持する昇降台３１、および処理品Ｗの焼入装置への装入・抽出時にハンガー２０をガイドする揺動式の溝形鋼製のガイドレール３２が設けてある。そしてこの例では、焼入室３の出入口開閉用の片開き式の出入口扉７の開閉動時に、シリンダ３３によりガイドレール３２を支軸３４のまわりに上方へ回動させ、出入口扉７との干渉を防ぐようにしてある。なおガイドレール３２，２６，１４に沿ってハンガー２０を前後方向に駆動する前後駆動装置としては、ハンガー２０の上部フレーム２２に固設した前後方向に延びるチェーン４１（図２参照）に係合するように各部に設けた４個の駆動スプロケット４２（図１参照）を、モータにより同一方向に同周速で回転駆動させる連動駆動機構（図示せず）を用いている。

一方図２において、５０は焼入室３に酸化性ガスを導入する酸化性ガス導入装置で、図１に示すように焼入室３の出入口扉７の内側位置に多数個配列されたガスノズル５１を有し処理品Ｗおよびハンガー２６の水平移動の支障とならないように略コ字状に屈曲成形されたガス導入管５２のガス送給口５２ａに、フィルタ５５と開閉弁５６とマスフローコントローラ５７とを直列接続したガス供給部５８を、接続して成る。５３は、ガス導入管５２を焼入室３の炉壁に固定保持するブラケットである。

また５９は制御装置で、焼入工程における油冷却前の所定の時点で所定時間開弁させる開弁信号Ｔを開閉弁５６に出力するとともに、この開弁状態における酸化性ガス（この例では空気）の流量設定信号Ｑをマスフローコントローラ５７に出力する。なおこの開弁時間（Ｔ）および流量設定値（Ｑ）は、事前に実際の処理品Ｗを用いたテスト焼入を行なって、処理品Ｗのロット切換、すなわち処理品Ｗを構成する鋼材の全表面積変更に対しても、それぞれ適切な浸炭層低減効果が得られる時間（Ｔ）および流量（Ｑ）のデータを把握しておき、このデータに基いて設定されたものである。また制御装置５９は、上記の酸化性ガスの導入時期および導入量の制御の他に、昇降シリンダ２８やシリンダ１６，１７，３３等の駆動、加熱室２の温度や真空度、焼入室３の真空度、焼入油６の油温等、真空油焼入の工程に応じて各部のプログラム制御を行うものである。

上記構成の装置により処理品Ｗを真空油焼入れするには、焼入室外側のガイドレール３２に支持したハンガー２０に、上昇状態とした昇降台３１上の未処理の処理品Ｗを移載し、次いで前後駆動装置によりハンガー２０を前進駆動して焼入室３を経て加熱室２内に搬送した処理品Ｗを、昇降テーブル１５上に移載し、ハンガー２０を焼入室３内へ後退させ、仕切扉４を閉じて加熱室２内（およびこの例では焼入室３内）を所定の真空度に減圧後、所定の温度で処理品Ｗを真空加熱する。

真空加熱後の処理品Ｗは、仕切扉４を開いて昇降テーブル１５上からハンガー２０のフォーク部２１上に移載し、図１に実線で示すように焼入室３内に停止させたのち、制御装置５９の出力信号により酸化性ガス導入装置５０により所定量の空気（酸化性ガス）を焼入室３内に所定時間導入する。このときガス供給部５８においては、開閉弁５６の開弁により、焼入室３内の真空度に応じて空気はフィルタ５５を経て吸引され、マスフローコントローラ５７により所定の流量に調整されてガス導入管５２から焼入室３内に供給される。この空気の導入によって焼入室３内の高温の処理品Ｗの各鋼材の表面には、酸化皮膜が形成される。

次に焼入室３内に窒素ガスを供給し、油冷却時に必要とされる冷却速度に応じた室内圧力に復圧後、昇降シリンダ２８によりハンガー２０を下降駆動して処理品Ｗを焼入油６に浸漬させる。この浸漬による油冷却の第１段階である蒸気膜段階において、処理品Ｗの鋼材の表面は焼入油６の蒸気膜によって覆われるが、鋼材の表面には前記酸化皮膜が形成されているので、蒸気膜中の油蒸気から遊離した炭素の鋼材表面への浸入が抑制され、鋼材表面の浸炭層形成が防止される。これに続く沸騰段階および対流段階を経て、鋼材は所定の冷却曲線に従って冷却される。

所定時間の焼入油６への浸漬後は、ハンガー２０を上昇駆動して処理品Ｗを焼入室３内へ引揚げ、焼入室３内を大気圧に復圧後ハンガー２０を抽出方向に後退駆動して焼入室３から外部へ抽出し、１回の真空油焼入工程を終了する。以下順次未処理の処理品Ｗに対して上記工程を繰返せばよい。

得られた油焼入処理品は、鋼材表面の浸炭層形成が防止され、酸化皮膜の形成により表面の光輝性は失われるが、必要に応じて表面研磨することにより容易に光輝性を回復できる。

次に図３はこの発明の実施の形態の第２例を示し、図示のガス供給部６１以外は前記第１例と同構成を有し、図２と同一部分には同一符号を付して図示してあり、それらの部分の詳細な説明は省略し、後述する第３例も同様とする。

この第２例も酸化性ガスとして空気を用いるものであるが、この空気はコンプレッサ６２により供給され、開閉弁５６の開弁時に減圧弁６３により所定圧力に減圧後、マスフローコントローラ５７により流量調整されてガス導入管５２内に供給され、焼入室３内が窒素ガスなどによる大気圧以上の無酸化性雰囲気である場合でも、所定量の空気を焼入室３内へ導入できる。

また図４はこの発明の実施の形態の第３例を示し、酸化性ガスとして水蒸気を用いるものであり、水蒸気供給用のガス供給部６５と、希釈用のガス供給部７１を用いている。ガス供給部６５においては、水槽６６ａとヒータ６６ｂとから成るボイラ６６により発生した水蒸気をタンク６７に貯留し、使用時には開閉弁５６開弁時に減圧弁６３により水蒸気を所定圧力に減圧しマスフローコントローラ５７により流量調整してガス導入管５２内に供給する。これと共にガス供給部７１においては、図示しないボンベなどの貯留部から窒素ガスや乾燥空気などの希釈用ガスＧを、ガス供給部６５と同時期に開弁する開閉弁７２を経て、マスフローコントローラ７３により水蒸気（流量Ｑ）に対する希釈比率から予め定めた流量Ｑ’で供給して、前記水蒸気に混合させてガス導入管５２内に供給する。

この例では酸化性ガスとして水蒸気を用いており、さらに希釈用ガスＧを用いているので、ガス導入管５２内に供給される酸化性ガスは酸化力が小さいため、その導入量制御により鋼材表面に形成される酸化被膜の膜厚を正確に制御できる。なお希釈用のガス供給部７１は、省略することも可能である。

この発明は上記各例に限定されるものではなく、たとえば加熱室２，焼入室３，処理品搬送装置などの具体的構成は、上記以外のものとしてもよい。また酸化性ガス導入装置のガス供給部やガス導入管，酸化性ガスの種類等も上記以外の構成のものとしたり、ガス導入管を加熱室に設けて酸化性ガスを加熱室内に供給するものとしてもよい。

次に前記第１例の真空油焼入装置１（但し焼入室３の空間容積＝９ｍ^３）を用いて行なったこの発明の実施例および比較例を説明する。

［実施例］ 熱間金型用の合金工具鋼ＳＫＤ６１（ＪＩＳ）製の直径５０mm×長さ５０mmの鋼材をパレット上に１０個積載して成る処理品Ｗを、図５に示す圧力および温度曲線に従って、加熱室２内で真空加熱後、フォーク部２１上に移載した処理品Ｗを焼入室３内（油槽５の上方位置）に停止させ、酸化性ガス導入装置５０により３０秒間で４５０リットルの空気をガス導入管５２を経て焼入室３内に導入して１分間保持し、次いで窒素ガスの導入により焼入室３内を１３０００Ｐａまで復圧した状態で処理品Ｗを１８０℃の焼入油６中に浸漬し、９０分間の油冷却後に焼入室３から外部へ抽出した。

この油焼入後の各鋼材を長さ方向中央位置で切断して切断面を研磨し、この研磨面にエッチングを施して、光学顕微鏡により組織を観察・撮影し、浸炭層の厚さを測定したところ、浸炭層の厚さは１０μｍ以下であった。

［比較例］ 上記の焼入室３における空気（酸化性ガス）の導入を行わずに直ちに上記窒素ガスの導入による復圧を行い、その他は上記実施例と同条件で油焼入を行なったところ、油焼入後の各鋼材の浸炭層の深さは４０〜２００μｍであった。

この発明の実施の形態の第１例を示す真空油焼入装置の縦断面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 この発明の実施の形態の第２例を示す酸化性ガス導入装置の要部系統図である。 この発明の実施の形態の第３例を示す酸化性ガス導入装置の要部系統図である。 図１および図２の装置による鋼材の油焼入方法の実施例を示す油焼入工程の圧力・温度曲線である。

符号の説明

１…真空油焼入装置、２…加熱室、３…焼入室、４…仕切扉、５…油槽、６…焼入油、５０…酸化性ガス導入装置、５２…ガス導入管、５２ａ…ガス送給口、５５…フィルタ、５６…開閉弁、５７…マスフローコントローラ、５８…ガス供給部、５９…制御装置、６１…ガス供給部、６２…コンプレッサ、６５…ガス供給部、６６…ボイラ、７１…ガス供給部、７２…開閉弁、７３…マスフローコントローラ、Ｗ…処理品（鋼材）。

Claims (7)

1. 焼入油を貯留する油槽を下部にそなえた焼入室を、仕切扉を介して加熱室に連設して成る炉体内で、真空雰囲気または無酸化性雰囲気下で加熱および冷却工程が行われる鋼材の油焼入方法において、加熱工程終了後、かつ油冷却開始前の時間帯に限定して、前記焼入室内に酸化性ガスを一定量導入することを特徴とする鋼材の油焼入方法。
2. 焼入油を貯留する油槽を下部にそなえた焼入室を、仕切扉を介して加熱室に連設して成る炉体内で、真空雰囲気または無酸化性雰囲気下で加熱および冷却工程が行われる鋼材の油焼入方法において、加熱工程の特定の時間帯に限定して、前記加熱室内に酸化性ガスを一定量導入することを特徴とする鋼材の油焼入方法。
3. 前記酸化性ガスの導入量を、鋼材の表面積に応じて設定することを特徴とする請求項１または２記載の鋼材の油焼入方法。
4. 前記酸化性ガスが空気または酸素であることを特徴とする請求項１または２または３記載の鋼材の油焼入方法。
5. 前記酸化性ガスが水蒸気を含む窒素または空気であることを特徴とする請求項１または２または３記載の鋼材の油焼入方法。
6. 焼入油を貯留する油槽を下部にそなえた焼入室を、仕切扉を介して加熱室に連設して成る炉体内で、真空雰囲気または無酸化雰囲気下で加熱および冷却工程が行われる鋼材の油焼入装置において、前記焼入室内に酸化性ガスを導入する手段と、この酸化性ガスの導入時期および導入量を制御して、加熱工程終了後、かつ油冷却開始前の時間帯に前記焼入室内に酸化性ガスを導入する導入制御手段とを、具備したことを特徴とする鋼材の油焼入装置。
7. 焼入油を貯留する油槽を下部にそなえた焼入室を、仕切扉を介して加熱室に連設して成る炉体内で、真空雰囲気または無酸化雰囲気下で加熱および冷却工程が行われる鋼材の油焼入装置において、前記加熱室内に酸化性ガスを導入する手段と、この酸化性ガスの導入時期および導入量を制御して、加熱工程の特定の時間帯に前記加熱室内に酸化性ガスを導入する導入制御手段とを、具備したことを特徴とする鋼材の油焼入装置。

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